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Lösungsvorgänge von Gasen in Wasser 08:50 min

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Transkript Lösungsvorgänge von Gasen in Wasser

Guten Tag und herzlich willkommen. Das Video heißt „Lösungsvorgänge von Gasen in Wasser“. Du kennst bereits einige Elemente und Verbindungen und wichtige Eigenschaften von Gasen. Nachher kannst du erklären, warum sich Gase in Wasser lösen. Der Film besteht aus fünf Abschnitten. Erstens: Können denn Gase wasserlöslich sein? Zweitens: Ein Modell für Wasserteilchen, Drittens: Schwefeldioxid löst sich, Viertens: Die Edelgase und Fünftens: Gute und schlechte Löslichkeit von Gasen. Im Weiteren empfiehlt sich für die Darstellung der Wassermoleküle folgende Vereinfachung: Für das Wassermolekül könnte man natürlich das bekannte Strukturmodell verwenden, damit das Modell vollständig ist, muss ich die Partialladungen eintragen. Besser jedoch ist, man verwendet ein Dipolmodell in Hantelform. Ich möchte, dass es noch übersichtlicher ist und verwende ein vereinfachtes Dipolmodell mit ganzzahligen Ladungen. Erstens: Können denn Gase wasserlöslich sein? Gase sind doch sehr leicht, sie müssten als Blasen nach oben steigen! Und dennoch, im Sprudel ist Kohlenstoffdioxid und Fische brauchen Sauerstoff zum Atmen. Zweitens: Ein Modell für Wasserteilchen. Wenn wir Wasser betrachten, könnte es so aussehen und im Modell sind die Wasserteilchen in etwa so angeordnet. Aber warum halten sie so zusammen? Jedes Teilchen trägt zwei Ladungen, eine positive und eine negative. Man sagt auch, die Teilchen sind polar. Jedes Wasserteilchen ist ein sogenannter Dipol, also jedes trägt eine positive und eine negative Ladung; dieses und dieses und natürlich auch dieses und die beiden letzten. Jedes der Wasserteilchen ist polar, ein Dipol, und die positiven und negativen Ladungen ziehen sich natürlich an. So ist das also mit den Wasserteilchen. Drittens: Schwefeldioxid löst sich. Das Molekül des Schwefeldioxids kann man so darstellen. Das Modell, das wir verwenden werden, sieht aus wie das Modell eines Wasserteilchens und zwar so; und genau wie beim Wassermolekül handelt es sich hier um einen Dipol mit positiver und negativer elektrischer Ladung. Und hier ist wieder unser Wassermodell. Dazu kommt ein Schwefeldioxidmolekül, mal sehen, was passiert. Aha, es sucht sich irgendwie seinen Platz an den Wassermolekülen. Die Teilchen bewegen sich gegeneinander, mal werden sie angezogen und manchmal abgestoßen und irgendwie schließlich gelangt das Schwefeldioxidteilchen zwischen die Wassermoleküle. Und das ist das Ergebnis. Plus und Minus ziehen sich jeweils an. In diesem Fall ist die Wechselwirkung zwischen den Teilchen ziemlich groß, 112 Gramm Schwefeldioxid löst sich in einem Liter Wasser. Viertens: die Edelgase. Durch eine Kugel kann man ein Edelgasatom gut darstellen. Ein Edelgasatom ist nicht polar. Es bildet keinen Dipol. Aber was passiert nun, wenn so ein Teilchen in Kontakt mit Wasser gerät? Bei der Annäherung zweier Wassermoleküle an ein Edelgasatom geschieht etwas höchst Interessantes: Das Edelgasteilchen verliert seine schöne Kugelform. Es wird durch die Ladungen der Wasserteilchen polarisiert. Es erhält selbst auch zwei Ladungen, zwei kleine Ladungen, Delta Minus und Delta Plus. Die Wassermoleküle polarisieren die Atome des Edelgases und damit kommt es zu einem wichtigen Ergebnis, das Atom des Edelgases wird in die Wasserstruktur eingebaut. Es gibt große, mittlere und kleine Edelgasatome, wo ist die Polarisierung am größten? Schaut euch diese große Kugel, den großen Ball, an, er ist leicht verformbar, eine kleine Kugel hingegen ist nur schwer verformbar. Genauso verhält es sich mit der Atomgröße und der Polarisierbarkeit. Betrachten wir einmal die Atome dreier Edelgase: des Xenons, des Argons und des Heliums. Die Polarisierbarkeiten verhalten sich dann so: Die Polarisierbarkeit des Xenons ist groß, Argon hat nur eine mittlere Polarisierbarkeit, die Polarisierbarkeit des Heliums ist klein. Und das hat direkte Auswirkungen auf die Löslichkeit in Wasser: Die Löslichkeiten in Milligramm pro Liter betragen für Xenon 500, für Argon 60 und für Helium nur 2. Na, wenn das kein Erfolg der Theorie ist. Fünftens: Gute und schlechte Löslichkeit von Gasen. Wir wollen die Löslichkeiten einiger Gase vergleichen. Durch das gelbe Teilchen wird Schwefeldioxid, SO2, dargestellt. Das grüne Teilchen soll das Chlorteilchen, Cl2, sein. Die lilafarbenen Teilchen symbolisieren die Edelgase. Das Schwefeldioxidteilchen ist ein Dipol. Die übrigen Teilchen sind unter der Wirkung der Wasserteilchen polarisierbar. Am größten ist die Polarisierbarkeit beim Chlor, am niedrigsten beim Helium. Je größer die Ladungen in einem Teilchen sind, umso größer ist die Wasserlöslichkeit des Stoffes. Wir vergleichen sie, diesmal in Gramm pro Liter. Wir haben eine sehr große Löslichkeit für Schwefeldioxid, auch beim Chlor ist die Löslichkeit in Wasser noch erheblich, beim Xenon nimmt die Löslichkeit schon stark ab, nur 0,5 Gramm pro Liter, beim Argon ist sie mit 0,06 Gramm pro Liter klein, Helium ist praktisch wasserunlöslich. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!

Lösungsvorgänge von Gasen in Wasser Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Lösungsvorgänge von Gasen in Wasser kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe, wie sich Gase in Wasser lösen können.

    Tipps

    Ein Dipol besitzt zwei Pole.

    In einem polaren Lösemittel lösen sich polare Stoffe gut.

    Lösung

    Die entgegengesetzten Pole der Wassermoleküle ziehen sich gegenseitig an. Dadurch bildet sich eine Struktur innerhalb des Wassers aus. Polare Stoffe werden ebenfalls von den entgegengesetzten Polen angezogen und werden in die Struktur eingebaut. Bei unpolaren Stoffen kommt es zu einer Polarisierung, wodurch eine Dipol-Dipol-Wechselwirkung möglich wird und diese Stoffe auch zu einem kleinen Teil gelöst werden können.

  • Nenne Bereiche, in denen gelöste Gase ein Rolle spielen.

    Tipps

    In der Sonne fusioniert Wasserstoff zu Helium. Es finden keine Lösungsvorgänge statt.

    Kohlendioxid ist im Blut gelöst und wird über die Lunge abgeatmet.

    Lösung

    Beispiel für Lösungen von Gas in Wasser begegnen uns jeden Tag. Bei Mineralwasser spricht man von Kohlensäure. Diese entsteht, wenn Kohlendioxid in Wasser gelöst wird. Die hohe Konzentration dieses Gases in Wasser kann nur unter hohem Druck erzeugt werden. Fische besitzen Kiemen. Mithilfer der Kiemen können sie Sauerstoff aus dem Wasser aufnehmen. Dieser löst sich durch die Berührung der Luft an der Wasseroberfläche und hängt vom Luftdruck ab. Ohne den Sauerstoff im Wasser könnten Fische nicht überleben. Auch in unserem Blut sind Gase wie Kohlendioxid gelöst. Es ist maßgeblich an der Regulierung des pH-Werts in unserem Körper beteiligt.

  • Bestimme die Löslichkeit der Edelgase in Wasser.

    Tipps

    Edelgase müssen polarisiert werden, damit sie gelöst werden können.

    Eine große Elektronenhülle ist leichter verformbar als eine Kleine.

    Lösung

    Edelgase sind unpolar. Trotzdem sind sie etwas löslich in Wasser. Damit eine Wechselwirkung der Edelgasatome mit den Wassermolekülen stattfinden kann, werden die Atome polarisiert. Durch die negative Teilladung der Dipole werden die Elektronen des Edelgases davon wegbewegt. Sie halten sich also deutlich öfter und länger auf einer Seite des Atoms auf. Hier liegt dann der negative Pol des Atoms. Man spricht von einem induzierten Dipol. Je größer nun die Elektronenhülle ist, desto mehr Elektronen sind vorhanden und desto leichter kann die Hülle verformt werden. Die Edelgase werden also mit steigender Ordnungszahl besser polarisierbar. Die Löslichkeit in Wasser nimmt daher in der Gruppe von oben nach unten zu. Helium ist also am schlechtesten löslich, während Xenon die beste Löslichkeit aufweist.

  • Erkläre den hohen Siedepunkt von Wasser.

    Tipps

    Die Elektronegativität ist ein Maß für die Fähigkeit eines Elements, die Elektronen einer Bindung an sich zu ziehen.

    Besitzt ein Teilchen zwei Pole, wird es als Dipol bezeichnet.

    Lösung

    Je höher die Kräfte, die innerhalb eines Stoffes wirken, sind, desto höher liegen Schmelz- und Siedepunkt. Die hohen Kräfte bewirken einen starken Zusammenhalt der Teilchen untereinander. Daher wird viel Energie benötigt, um den Phasenübergang einzuleiten.

    Wasser ist ein starker Dipol. Aus diesem Grund kommt es zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den einzelnen Molekülen. Diese beeinflussen das Verhalten von Wasser stark, da es sich um relativ starke intermolekulare Wechselwirkungen handelt.

  • Erkläre, wovon die Löslichkeit von Gasen in Wasser abhängt.

    Tipps

    Das Wassermolekül besitzt 2 Pole.

    In einem unpolaren Lösemittel lösen sich unpolare Stoffe gut.

    Lösung

    Wenn Gase mit der Wasseroberfläche in Berührung kommen, treten die Gasteilchen in Wechselwirkung mit den Wassermolekülen. Ist die Wechselwirkung stark, treten viele Gasteilchen in das Wasser ein und werden in die Wasserstruktur eingebaut. Dipol-Moleküle besitzen wie Wasser einen negativen und einen positiven Pol. Diese Pole werden von den entgegengesetzt geladenen Polen der Wassermoleküle angezogen. Diese Art der intermolekularen Wechselwirkung nennt man Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Sie ist recht stark und bewirkt die gute Löslichkeit von polaren Stoffen im Lösemittel Wasser.

    Unpolare Stoffe hingegen wechselwirken per van-der-Waals-Kräften mit den Wassermolekülen. Diese Kräfte sind deutlich schwächer als die Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Außerdem werden unpolare Teilchen polarisiert, wodurch auch hier schwache Dipol-Dipol-Wechselwirkungen entstehen. Aufgrund dieser schwächeren Wechselwirkungen von unpolaren Teilchen mit Wasser lösen sich diese Stoffe schlechter in Wasser als polare Teilchen.

  • Entscheide, ob sich die genannten Stoffe gut oder schlecht in Wasser lösen.

    Tipps

    $NH_3$ ist ein Dipol.

    Chlor besitzt eine deutlich höhere Elektronegativität als Wasserstoff.

    $CO_2$ und $O_2$ sind relativ schlecht polarisierbar.

    Lösung

    Für die Löslichkeit gilt: Gleiches löst sich in Gleichem. Ammoniak, Schwefeldioxid und Chlorwasserstoff stellen starke Dipole dar. Aus diesem Grund wechselwirken sie stark mit dem polaren Stoff Wasser. Folglich können viele Gasteilchen in die Flüssigkeit aufgenommen werden. Sie besitzen alle eine gute Löslichkeit in Wasser.

    Die Gase Helium, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff sind alle unpolar. Sie wechselwirken nur sehr schwach mit Wasser. Daher gehen nur wenige Teilchen in Lösung. Sie besitzen eine schlechte Löslichkeit in Wasser.